¿Qué ocurre si un cohete se llena de vacío en lugar de aire a alta presión?

Question

Supongamos que pones ruedas debajo de un tanque de aire comprimido

para que pueda desplazarse horizontalmente hacia la derecha y hacia la izquierda. Supongamos que hay una boquilla en el lado derecho del depósito (en la imagen de la parte trasera, si se quiere).

Si el depósito está lleno de aire a alta presión y abre la boquilla, el depósito se desplazará hacia la izquierda. Así es como funcionan los cohetes y es fácil imaginárselo.

¿Qué ocurre cuando el depósito está lleno de vacío y se abre la boquilla?

Mi primera impresión fue que el tanque se movía hacia la derecha, pero alguien me dijo que estaría parado. ¿Es cierto? ¿Cuál es una explicación intuitiva para eso?

Answer 1

Me gustaría modificar un poco la pregunta: ¿qué ocurre cuando un depósito aspira y expulsa fluido alternativamente por la misma boquilla?

La sorprendente respuesta es: se moverá en la dirección que se movería si sólo se expulsara fluido fuera expulsado. Este fenómeno se conoce como propulsión maquiana. La propulsión maquiana se utiliza en los llamados barcos pop-pop (o putt-putt) barcos de juguete que despliegan una máquina de vapor ultrasencilla.

Diseño de barco pop-pop (putt-putt)

El resumen a este documento resume la física:

"Muchos experimentadores, empezando por Ernst Mach en 1883, han observado que si un dispositivo aspira y luego expulsa alternativamente un fluido circundante, se mueve en la misma dirección que si sólo expulsara fluido. Este sorprendente fenómeno, que denominamos "propulsión machiana", se explica por la conservación del momento: el flujo de salida transfiere eficazmente el momento desde el dispositivo hacia el medio circundante, mientras que el flujo de entrada sólo puede hacerlo por difusión viscosa. Sin embargo, muchas discusiones teóricas anteriores se han centrado en la diferencia de forma entre el flujo de salida y el de entrada. Mientras que el argumento basado en la conservación es directo y completo, el análisis de las formas de los flujos es más sutil y requiere conservación en primer lugar. Nuestra discusión abarca tres dispositivos que normalmente se han tratado por separado: el aspersor inverso (también llamado inverso o de Feynman), el bote de putt-putt y el voladizo de aspiración. A continuación mencionamos brevemente algunas aplicaciones de la propulsión machiana, que van desde la microingeniería hasta la astrofísica."

Ciclo de funcionamiento del motor de una embarcación Pop-pop

Vídeo sobre cómo construir un barco pop-pop: http://youtu.be/0ki9Kta8g14

Ahora debería estar clara la respuesta a la pregunta planteada anteriormente: al aspirar aire en un depósito vacío, el depósito temblará brevemente, pero no mostrará ningún movimiento sostenido. Esto ocurre incluso cuando el depósito puede moverse sin fricción: el aire entra y el depósito empieza a moverse en dirección opuesta, pero el aire que entra transfiere su impulso al depósito y éste se detiene por completo.

Answer 2

Piense en el depósito con aire comprimido como un ventilador con ruedas que sopla el aire hacia delante y lo impulsa hacia atrás. Cuando se abre la válvula del depósito, el aire comprimido sopla hacia delante y propulsa el depósito hacia atrás. Ahora piense que el depósito con vacío en su interior es como un ventilador con ruedas que aspira aire por delante y lo expulsa por detrás impulsándolo hacia delante. Ahora piensa en el tanque que tiene un vacío en el interior y cuando la válvula se abre el aire se precipitaría en y empujando el tanque en el interior, que es el lado opuesto de la válvula, impulsándolo en una dirección hacia adelante. (Si arrancas un extremo de la tapa de la pajita de papel o plástico y soplas dentro de la pajita, la tapa sale disparada de la pajita de la misma manera que sale disparada la bombona cuando entra aire a alta presión).

Answer 3

Si tenemos un depósito de vacío (azul), conectamos un tubo recto (negro) a la pared del depósito, y el depósito es lo suficientemente grande en relación con el tubo recto. Dejamos que la atmósfera entre en el tanque de vacío desde este tubo recto. ¿Qué ocurrirá en ese momento? Evidentemente, una fuerza de reacción $F$ opuesta a la dirección del flujo de aire se generará a la salida del tubo recto. ¿Esto $F$ actuar sobre el depósito de vacío? La respuesta es no, porque $F$ actúa sobre el aire en el tubo recto. ¿Recibirá este depósito una fuerza hacia la derecha? Como el aire alrededor de la entrada del tubo recto está fluyendo, la presión del aire en el extremo derecho del tanque disminuye, por lo que teóricamente el tanque recibe un empuje hacia la derecha. Sin embargo, si el tanque no es lo suficientemente grande, ¡el resultado será diferente!